C01S03-数据链路层和交换机原理

一、数据链路层

1. 数据链路层功能

数据链路层是OSI模型中的第二层，主要负责网络节点之间传输数据。以下是数据链路层的主要功能：

1. 数据链路的建立、维护和拆除。
   • 数据链路：在一条物理线路之上，通过一些规程或协议来控制这些数据的传输，以保证被传输数据的正确性。实现这些规程或协议的硬件和软件加到物理线路，这样就构成了数据链路，从数据发送点到数据接收点所经过的传输途径。
   • 建立：在两个网络节点之间建立一个数据链路连接，这通常涉及到一系列的协议交换，以确保双方准备好进行数据传输。
   • 维护：在数据传输过程中，数据链路层需要监测链路的状态，处理可能出现的问题，如重传丢失的帧等。
   • 拆除：当数据传输完成后，或者由于某些原因需要中断连接时，数据链路层负责释放连接资源，关闭数据链路。
2. 帧包装、帧传输、帧同步。
   • 帧包装：数据链路层将上层（如网络层）传递下来的数据单元（如IP数据报）封装成帧。这个过程包括添加帧头和帧尾，其中包含必要的控制信息，如同步信息、地址信息、错误检测和流量控制字段等。
   • 帧传输：将封装好的帧通过物理介质发送到下一个节点。这包括确保帧在物理介质上的编码和传输。
   • 帧同步：接收端需要能够从接收到的比特流中正确地识别出帧的开始和结束。帧同步就是指这个过程，确保接收端能够正确地解析发送端发送的帧。
3. 帧的差错恢复。
   • 数据链路层通过在帧中添加错误检测和纠正机制（如循环冗余检查CRC）来检测在传输过程中可能发生的错误。如果检测到错误，数据链路层负责请求重传损坏的帧，以确保数据的完整性。
4. 流量控制。
   • 流量控制是确保发送方不会因为发送数据过快而导致接收方处理不过来。常见的流量控制机制包括停止-等待协议和滑动窗口协议。这些机制通过控制发送方发送数据的速率，来匹配接收方的处理能力。

2. 以太网帧格式

2.1 以太网

数据链路层包括点对点协议、以太网协议等。以太网是一种局域网技术，用于连接计算机和其他设备，以便它们能够相互通信和交换数据。对于数据链路层而言，以太网协议规定了数据帧的格式和传输规则。

2.2 网卡

网卡是计算机和外界网络共享数据的重要媒介，即工作在数据链路层，也工作在物理层。

每块网卡在被生产出来后，都有一个全球范围内的唯一标识，MAC地址，也就是这块网卡的物理地址。MAC地址由48位二进制数（6个字节）组成，通常是以十六进制表示，也就是用12个16进制，每两个十六进制数之间用“-”分隔开。其中前24位（前3个字节）是生产厂商的编号编号，后24位（后3个字节）表示网卡的出厂批次等信息。

2.3 数据帧格式

以太网帧有多种类型格式，最为常见且常用的是Ethernet II帧格式。该格式将数据帧主要划分为5个部分，分别是：目的MAC地址、源MAC地址、帧协议类型、来自网络层的数据包、帧校验序列。

• 目的MAC地址：6字节，数据要发送的设备MAC地址。
• 源MAC地址：6字节。本机的MAC地址。
• 帧协议类型：2字节。表示上层的协议类型。
• 数据包：46字节~1500字节不等。数据包如果超过1500个字节，就会被拆开封装成多个数据帧。
• 帧校验序列：4字节。用于检验前四个数据是否完整无损坏。

二、交换机原理

1. 交换机工作原理

1.1 交换机基本工作原理

交换机里有一张初始状态为空的MAC地址表，甲电脑准备发消息给乙电脑，数据帧经过交换机时，交换机会记录下甲电脑的源MAC地址。此时没有在地址表中发现数据帧中的目的MAC地址，便会以广播的形式去寻找。

当乙电脑收到广播后，会将数据帧发送给交换机，交换机会记录下乙的MAC地址。等甲乙再次通信，便可以直接根据地址表进行数据的转发。

交换机四大功能：

• 学习：数据帧经过交换机，交换机会自动学习数据帧的源MAC地址。
• 查找：